世界五千年

爱因斯坦与“相对论”

“相对论”被称之为受到教育的心智所能取得的最伟大的胜利。“相对论”是科学巨匠阿尔伯特·爱因斯坦对现代物理学所作出的开创性贡献。1905 年，爱因斯坦在短短 6 个月时间里，在物理学的三个不同领域里取得了重大的突破。第一个是发展普朗克的量子概念，提出光束的能量在传播、吸收和产生过程中都具有粒子性，即量子性，也就是光电效应理论。第二个是在分子运动方面用统计学和力学相结合的方法为布朗运动做出了理论上的说明。第三个也是最重要的一个就是狭义相对论。

物理学家们特别称道“相对论”，是出为它不像其他的理论那样随着时光的流失而黯然失色，反而随着时间的推移变得更加光彩照人。“相对论” 的提出，它将时间、空间、能源和物质这些传统的概念击得粉碎。它的数学表达式已经揭开了自然界一些最本质的秘密。它其中的一个方程式已成为原子时代的中枢。

那么“相对论”理论讲了些什么呢？是如何产生？它的作用又是什么？ 19 世纪 70 年代开始的第二次技术革命，是以电力能源和内燃机的发明

和广泛应用为标志的。同第一次技术革命相比较，电气化是第二次技术革命的主要特征。而第二次技术革命的理论准备则是电磁学的产生和发展。19 世纪前半期，电和磁在理论上的重大成就，就在于为后来的电磁现象的实际应用开辟了道路。但是在研究电磁现象领域时遇到了“以太疑难”。正是在解决“以太之迷”的各种探索中，为“相对论”的诞生开辟了道路。

19 世纪 40 年代到 60 年代，法拉第、麦克斯韦建立了电磁场理论。但是，当时麦克斯韦并没有认识到，电磁场本身就是一种独立的物质实体，而把“以太”看成是电磁场的物质基础，同时又认为电磁现象则是“以太”的表现形式。而赋予“以太”以多种不同的性质（惯性、弹性、透明性⋯⋯等），这些性质往往相互矛盾，因而形成了“以太之迷”。

早在 1725～1726 年，布雷德利通过长期天文观察发现，恒星的表观位置在一年内会发生变化，这称为光行差现象。1818 年，菲涅尔按照“以太”是绝对静止的假设，对光行差现象进行了解释。1845 年，斯托克斯不同意“以太”完全静止说，而认为“以太”会受外力作用而运动。为了证实这个问题，科学家们从多方面对此进行研究。如果“以太”是绝对静止的，就应该存在“以太风”，即可检测到地球相对于“以太”运动的速度。这种“以太”的绝对静止和弥漫于整个空间的性质，正好对应着牛顿的“绝对空间”。由于这个特点，更增强了“以太风”的兴趣。所以，从 19 世纪中后期，直到 20 世纪初，“以太风”成了物理学发展中非常令人关注的问题。

1904 年，彭加勒在美国圣路易斯艺术和科学大会的演说中，根据大量实验事实，正式提出相对性原理这个名称。他说：“根据这个原理，无论对于固定的观察者或者是匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的，因此，没有任何实验方法可用来识别我们自身是否处于匀速运动中。”

由于彭加勒也相信“以太”的存在，也没有对牛顿的绝对时空观产生怀疑。因此，应该说其思想离“相对论”思想还有一定的差距。总之，爱因斯坦是在电磁学理论取得了重大胜利，但还存在内部不和谐的情况下来开展自己工作的。当时的物理学，已经从实验和理论两个方面为“相对论”的诞生准备了一定的条件，但还没有达到揭示“相对论”思想本质的程度。

寻找“以太风”的失败，成为科学史上最伟大的负结果。尽管前面的人已做了很大努力，但没有突破。问题已很明显，只有抛弃机械的“以太”去创立看来似乎与常识相矛盾的学说才是克服紧张形势，找到正确出路的关键。恩格斯在《自然辩证法》中也说过：“一个新的事实被观察到了，它使得过去用来说明和它同类的事实的方式不中用了。从这一瞬间起，就需要新的说明方式了——它最初仅仅以有限数量的事实和观察为基础。进一步的观察材料会使这些假说纯化，取消一些，修正一些，直到最后纯粹地构成定律”。爱因斯坦正是以这种精神，在新的实验事实面前革新了旧有观念，他比别人站得更高，通过艰苦的思索和劳动，于 1905 年创立了“相对论”。

爱因斯坦在他 1905 年发表的《论运动物体的电动力学》的著名论文，揭示了“狭义相对论”的原理。他指出：光的速度是不变的，它与观察者和光源的运动速度无关；物体在运动时，不但它的大小发生变化，而且时间过程本身也发生变化。他的理论说明了空间、时间、物质和物质运动并不是彼此孤立无关的，而是不可分地联系在一起的。作为物质存在形式的空间和时间统一成一个四维空时。空间和时间的性质随着物质的运动而变化。相对理论破除了作为牛顿理论体系中的绝对空间、绝对时间的先验主义的概念，深刻地揭露了物质世界的统一性。

“狭义相对论”是建立在爱因斯坦的两个假说上的。第一个是著名的狭义相对性原理。从本质上说，狭义相对性原理是力学中的伽利略相对性原理的直接推广。就它的广泛意义而言，人们不能通过任何实验来确定惯性系自身的运动，因而就没有任何绝对的运动存在。地球由于绕太阳的运动，在一年四季的不同时间里可作为不同的惯性系，但任何时刻进行的电磁学实验都显示了同一电磁规律，那些企图证明地球相对于“以太”运动的实验的失败，是相对性原理的胜利，第二个是光速不变的原理。爱因斯坦提出：在真空中，光总是以一个不变的速度传播，这个速度的大小与光源的运动无关；光速与光波频率无关；光速与观察者运动状态无关；光速向各个方向传播的速度相同。这是一个从科学实验和电磁理论中提升出来的假设，其中的假设成份主要是光速的各项同性。因此，“相对论”与牛顿物理学是一致的。然而，在物体高速运动时，牛顿物理学就不能判断和描述宇宙了。因此，宣称“相对论”取代了牛顿的物理学是不准确的。“相对论”是站在巨人牛顿的肩上看世界的。

“相对论”使人们最终明白：主张任何形式的运动为绝对运动的观点是错误的。在没有绝对静止界标存在下，所有的运动都是相对的。许多年来，地球一直被错误地想当然为静止的，并且作为绝对界标存在使用。直至 1543

年，哥白尼的“日心说”改变了所有这些观念。如今我们知道：地球以 20

英里/秒的速度绕轴自转，它同时又以 1000 英里/秒的速度绕太阳运行。我们

所处的太阳系又以 13 英里/秒的速度绕恒星系运转，而后者又在银河系中以

200 英里/秒的速度运动。我们的银河系在整个星系中以 100 英里/秒的速度运动。

我们知道，夜晚的天空是几千年甚至几百万年前的景象，因为来自遥远恒星的光需要无限的时间才能抵达地球！对我们而言，“现在”的夜晚天空的景象已是这些恒星的历史了。我们眼见到的一些恒星也许现在已不存在了，而其光还未到达地球上的一些年轻恒星我们还看不见，但却已经存在了。因此，从本质上讲，过去、现在和将来与时间一样是某种程度上的空间分离。

“绝对现在”观念的终结也带来了“绝对同时性”观念的末日。对一观察者来说似乎同时发生的两件事，对另一观察者来说也许是相隔几分钟、几天、甚至几年发生的事。

“相对论”中最有趣的现象是时钟变慢。这被称为时间扩展效应。这个现象又是如何发生的呢？请看下面的例子：在一快速运动的火箭里的一只闪光信号朝着火箭运动的垂直方向发射出一束光脉冲，对面机壁上的反光镜又将此光脉冲反射回其光源处，两位观察者计下其持续时间。一位观察者是火箭内的宇航员，另一位是位于地球之上、观看从他面前一晃而过的人。导航员所看到的是光脉冲翻来复去地在火箭舱内上下传播。对他来说，该事件的持续时间（按照公式距离＝速度×时间）等于距离（火箭的宽度的二倍）除以光速（每秒 3×10⁸ 英里）。

但是，地球上的观察者看到的却是另一景象。光脉冲不仅上下移动，而且由于火箭的运动，光脉冲还在水平方向上左右传播。对此观察者来说，光程看起来就像这两种运动共同作用得到的倒置 V 型。这距离要比宇航员测量的要长一些。因为光速对所有的观察者都是一样的。因此，地球上的观察者测量到该事件的持续时间要比宇航员测得的要长些。当然，火箭运行得愈快，倒置的 V 型就会愈长，对静止的观察者发生该事件持续的时间就会愈长。

如果光脉冲的上下移动对特别的光波钟是一个时间单位的话，那么，对宇航员似乎是正常的时间单位，而对静止的观察者来说似乎延长了，好像该钟走慢了一样。时间扩展效应与钟的结构毫不相干。所有的运动时钟，无论是机械的还是生物的，不仅相对于静止的观察者来说其速度变慢了，而且实际上也是如此。与静止的观察者相比较，以接近光的速度运动，这也许是延年益寿的一种途径。

综上所述可以看出：“狭义相对论”的发展有两个主要步骤，那就是使空间、时间“度规”适合于麦克斯韦电动力学，使物理学的其余部分适合于那个改造过的空间、时间“度规”。其中第一个步骤产生了同时性的相对性，运动对尺子和时钟的影响，运动学的修正，特别是关于速度相加的新定理。第二个步骤使我们对大速度的牛顿定律作了修正，同时使我们对惯性质量的本性得到了有基本重要意义的知识。但“相对论”的影响远远超过了由此而兴起的“相对论”的那个问题的范围。它扫除了场论的许多困难和矛盾，它建立了更普遍的力学定律；它用一个守恒定律来代替两个守恒定律；它改变了我们旧的绝对时间的概念。它的有效性不仅限于物理学的范围之内，它已成为网罗一切自然现象的普通框架。”

当然，“狭义相对论”也有它的适用范围，只有在弱引力场的情况下，引力的影响可以忽略不计时，“狭义相对论”的结论才是正确的。在引力场比较强的情况下，引力的影响不容忽略，时空的特性就应由“广义相对论” 来描述。

1905 年出版的《狭义相对论》并没有立刻使爱因斯坦名扬四海，他在瑞

士的一个专利局里当小职员一呆就是 4 年，用普普通通的薪水供养着他的妻子和两个孩子。而后爱因斯坦才慢慢地得到各地有名声的物理学家的尊敬和承认。从 1905 年至 1915 年，他用了 10 年的时间来研究“广义相对论”。

那几年是爱因斯坦一生中福祸交加的几年。婚姻失败，他却被授予当时欧洲最有声誉的科研中心之一的凯撒·威廉学院的董事之职。他发表声明谴责了第一次世界大战，第一次公开宣布他的和平主义主张。但是，他最主要

的目标是研究一种新的宇宙理论。为了实现他的目标，他又刻苦自学了黎曼几何和张量计算的新型数学工具。

在继续从事新理论研究期间，在给好友的一封信中，爱因斯坦写道：“在我一生中，以前我从来没有工作得这么艰苦⋯⋯与这个问题相比，“狭义相对论”只不过是儿戏而已。”

在“狭义相对论”中，“狭义”仅仅涉及到运动的有限情况，即匀速运动。“狭义相对论”没有考虑到加速运动或在不同的引力场中的运动。对爱因斯坦来讲，这不完善，他认为，一定有一个更普遍的理论能够解释所有的现象和情况。他思维的始点是人造引力现象。当升降机突然向上加速时，我们会瞬间感觉较高一些。从本质上讲，加速系统可以人工制造引力。加速度和引力之间的联系以等效原理来描述。此原理是“广义相对论”大厦的基石。

等效原理认为，在加速系统中观察到的现象和做的实验与引力场的很相似。换而言之，加速度和引力的效果是相同的。当漂浮在宇宙飞船的需引力场中的宇宙飞行员突然“跃到地板上，他不能说出是他的宇宙飞船突然加速还是飞船着陆而造成的。爱因斯坦断定，等效原理不仅对机械现象，而且对所有自然现象——光学的，电子的，甚至生物的都合适。”

让我们来看一看等效原理在一个火箭内的应用例子。火箭最初是在地球上，假定我们沿水平方向朝另一壁掷一个球，地球的引力将使弯曲球的飞行轨迹像球滚出桌子一样。按照等效原理，如果火箭在外层空间以等于地球的引力造成的加速度（9.m/s²）运动，球就会具有相同的飞行轨迹。如果现在我们用一束光来代替这个球，那么，我们一是会检测到一个微小又可测得的弯曲——因为按照 E＝mc²，光具有能量，也就同时具有了与质量有关的特性。等效原理令人吃惊的结论是，如果光线在一加速火箭内弯曲的话，它一定也会在引力场中弯曲。

1913 年爱因斯坦同大学时代的同学、数学家格罗斯曼合作写出论文《广义相对论和引力理论纲要》，同时以张量分析和曲面几何为工具建立了引力场的度规理论，利用微分几何这个数学工具他们发现，必须用十个函数而不是由一个标量函数去描述引力场。这篇文章基本勾划出了“广义相对论”的主要面貌。1915 年爱因斯坦找到了引力场方程，同年 10 月，希尔伯特从变分原理的角度也得出了引力场方程。根据“广义相对论”，爱因斯坦解释了水星近日点的运动，计算出了光线掠过太阳时的正确偏转值。1916 年，他的论文《广义相对论的基础》就是这项工作的总结，他标志着“广义相对论” 的最终建立。

爱因斯坦理解的引力对时间和光波的影响与其说是自然界孤立的畸变，倒不如说是包含着“相对论”所有现象的重要设计的表象。从 1911 年到 1916 年，爱因斯坦一直在寻找着能够以一种简单而又容易理解的方式解释引力及其对光波和时间的影响模型。他最终创立了一个多维连续时空模式。在此模式下，空间被引力“弯曲”了。爱因斯坦描述了一个引力不再是一种力而是在多维连续时空中的几何畸变的宇宙。

在爱因斯坦的宇宙模型里，引力、空间和时间是相互联系的，从而形成了四维连续时空。这对于习惯于三维世界的人类大脑来说是不可思议的。任何试图使四维空间形象化的努力都是徒劳无益的。首先要体会一下作为一维变量的时间的角色。在地图上，我们只需两个坐标定一点。在三维图中，我们还要第三维变量——高度。因为现在拿时间作第四维变量，即使我们是静

止的，在连续时空中，我们是没有相似坐标的。随着时间的流逝，我们的坐标和我们的位置就会发生改变。

“相对论”现存的秘密之一便是引力通过时空与物质传送的机制。爱因斯坦认为引力一定具有一些与光波相同的光性。例如，有人认为，引力传播的速度与光波的速度一致。因为光显示出波动性和粒子性，所以，预计引力也具有相同的性质。

爱因斯坦创立狭义和广义相对论，在物理学史上的确是一次伟大的革命。它的影响远远超过了物理学，已渗入到艺术、哲学甚至政治这些领域之中。英国物理学家狄拉克把“广义相对论”称之为人类曾经作出的最伟大的科学发现。

“相对论”对现代物理学起的巨大推动作用现在越来越明显了。“广义相对论中关于物理学问题的数学处理方法，物理学方程的协变性要求日场的速度规模论等，在当前的物理学理论研究中已作为一种基本的方法或思想接受下来。可以说，“相对论”已与量子力学理论一起成为 20 世纪物理学的两大支柱，矗立在伟大的科学殿堂之内。

让我们在看到爱因斯坦的成绩时，再来回顾他光辉的一生。

爱因斯坦 1879 年 3 月 14 日出生于德国的乌尔姆城的一个犹太人家庭。中学时代，爱因斯坦的学业并不出色，在那种单调制度下，他被搞得精神很紧张，甚至未能从这所学校毕业。但是，少年时代他就具有敏锐的洞察力。中学时对数学特别感兴趣。12 岁时便证出了华达哥拉定理。后来，他又自修了物理学。

1894 年，爱因斯坦的父亲生意破产，全家移居意大利的米兰。在那里，年轻的爱因斯坦开始对科学发生了兴趣。16 岁时，他写了第一篇《关于磁场中的以太研究现状》的论文。

1896 年 1 月，他进入苏黎士高等工业学校，在数学和物理方面的非凡才能初露锋芒，在大学的大部分时间内，他埋头于物理实验，刻苦自学了理论物理，立志要成为一名物理学家，献身于理论研究。他读了很多书籍，马赫的实证主义、达尔文的进化论、以及乌托邦的经济学说等。

他广泛阅读了各个物理学大师的著作，为日后的新理论奠定了雄厚的基础。

1905 年，年仅 26 岁的爱因斯坦在十分困难的条件下，根据大量的科学实验事实，否定了多少年来神圣不可侵犯的牛顿的绝对时空观念，提出了“相对论”的原理和光速不变原理，创建了现代物理学的理论支柱之一——“狭义相对论”。

1915 年，爱因斯坦创立了“广义相对论”。除了“相对论”外，爱因斯坦还在统计学、热力学、量子力学等方面作出了伟大的贡献。他还是最早从理论上预言激光的科学家。

爱因斯坦是当代最伟大的科学家。列宁称他为自然科学发展的大革新家。

他不是神童，少年时代并没有显示出特殊的才能，但是，他喜欢思考问题，具有“离经叛道”的性格。他有自学的本领和分析问题的能力。他通过自学在狭义相对论、光电效应、布朗运动三个重要领域里都取得了历史性的突破。这在科学史上也是史无前例的。

在取得辉煌成果后，他并没有陶醉于胜利中。爱因斯坦追求真理，永不

停步。这种献身于科学的精神，堪称是后人的楷模。

1921 年，爱因斯坦获得了诺贝尔物理学奖。从此他成了名扬世界，誉满全球的人物。但他并不满足于自己取得的成就，总是胸怀若谷地不断探索未知的真理，一往无前地向更加坚固的科学堡垒进攻。

他不仅是一位伟大的物理学家，而且还是一位富有哲学探索精神的杰出的思想家，同时也是一位精神高尚、具有高度责任感的正直的人，也是一个具有伟大国际主义精神的世界公民。在整个人类自然科学史中，他的成就与影响，只有哥白尼、牛顿、达尔文可相媲美。由于他创立了“狭义相对论”，从科学界默默无闻的一个小人物，突然间成了牛顿之后世界上无与伦比的最伟大的理论物理学家。爱尔兰哲人肖伯纳曾经说过，这位伟大的物理学家“创造了一个新的宇宙。”

但是，他从不把自已关在象牙塔里，而且热情地关心整个社会，关心人类的文明与进步。他认为，“人只有献身于社会，才能作出那些实际上短暂而又有风险的一生实现生命的意义。”他认为，要使人类社会高尚起来，榜样的作用是重要的，而他自己就有责任作一个榜样。因此，凡是他所经历的重大政治事件，都要公开表态；凡是他所了解的社会黑暗和政治迫害，他都要公开揭露和谴责。

第二次世界大战时，他公开谴责日本帝国主义对中国的侵略，公开谴责德国法西斯的罪行⋯⋯因此，他成了法西斯分子追捕的对象，他的家被抄，财产被没收，著作被销毁。他逃离德国后，流浪世界，成了世界公民，先到法国，又到比利时，再到英国，最后在美国定居。

1955 年 4 月 18 日，这位伟大的世界公民、著名的当代天才的科学家阿尔贝特·爱因斯坦与世长辞了，他直到逝世前还在向全世界呼吁，为了使核战争永远不发生，应该缔结某种协定。